第四节　半导体三极管

半导体三极管又称晶体三极管、双极型晶体管，简称晶体管或三极管。它具有电流放大作用，是构成各种电子电路的基本器件。常见的三极管外形图如图1-28所示。

一、三极管的结构及分类

1.三极管的结构

三极管是通过一定的工艺，在同一块半导体基片上制成三层杂质半导体，从而形成两个PN结。从结构上分，三极管有NPN型管和PNP型管两种类型，无论哪种类型，三极管都有三个区、三个极和两个PN结。三极管的结构示意图及图形符号如图1-29所示。中间的半导体层称为基区，两侧的半导体层分别称为发射区和集电区；从三个区各引出一个电极，分别称为基极（B）、发射极（E）和集电极（C）；发射区与基区之间的PN结称为发射结，集电区与基区之间的PN结称为集电结。

由于这种结构产生的PN结之间的相互影响，使三极管表现出不同于单个PN结的特性而具有电流放大作用，从而使PN结的应用发生了质的飞跃。三极管的结构是保证实现电流控制的关键，其结构工艺上的特点是：发射区的掺杂浓度很高，以利于发射多数载流子；基区很薄且掺杂浓度低，以利于载流子越过基区；集电区的结面积大，掺杂浓度较低，便于收集载流子。所以，三极管的各极不能互换使用。这些制造工艺和结构特点也是保证三极管具有电流放大作用的内部条件。

三极管的图形符号中带箭头的电极是发射极，箭头的方向表示发射结正偏时发射极电流的实际方向，同时箭头方向也是区分NPN型管和PNP型管的标志，箭头向外的为NPN型管，向内的为PNP型管。无论三极管在电路图中如何放置，与发射极在同一侧的为集电极，单独在另一侧的为基极。三极管的文字符号为V。

2.三极管的分类

三极管的种类很多，按结构类型分为NPN型管和PNP型管；按制作材料分为硅管和锗管，一般情况下，NPN型多为硅管，PNP型多为锗管；按工作频率分为高频管（3MHz以上）和低频管（3MHz以下）；按功率大小分为大功率管、中功率管和小功率管；按工作状态分为放大管和开关管。

二、三极管的工作条件和基本组态

1.三极管的工作条件

三极管要实现放大作用，除了要具有上述的内部条件外，还必须具备一定的外部条件，就是给三极管中的两个PN结加上合适的工作电压。无论是NPN型管还是PNP型管，三极管工作在放大状态的外部条件是：发射结加正向电压（正偏），集电结加反向电压（反偏）。对NPN型管来说，三个电极上的电压关系应为UC>UB>UE；对PNP型管来说，三个电极上的电压关系应为UC<UB<UE。

2.三极管的基本组态

三极管在接成放大电路时，因为放大电路的输入回路和输出回路各有两个端子，所以三极管的三个电极中必有一个电极作为输入回路和输出回路的公共端并接地，另两个端子一个接输入端，另一个接输出端。所以，按输入和输出回路公共端的不同，放大电路有三种不同的组态，即共发射极放大电路、共集电极放大电路和共基极放大电路。放大电路的三种基本组态如图1-30所示。

在这三种放大组态中，基极总是在输入回路中，集电极总是在输出回路中。无论哪种接法，要实现放大作用，必须满足外部工作条件，即发射结应正向偏置，集电结应反向偏置。

三、三极管的电流分配关系和电流放大作用

1.三极管的电流分配关系

三极管具有电流放大作用，各极电流间有一定的规律，下面以NPN型三极管为例，通过一个实验来说明三极管的电流分配关系和放大作用。实验电路如图1-31所示。

图中直流电源VBB和基极偏置电阻RB以及基极构成三极管的基极回路，使发射结正偏；同时电源VCC、集电极电阻RC以及集电极、发射极构成集电极回路，使集电结反偏，确保三极管工作在放大状态。同时，发射极是两个回路的共用电极，所以这种连接称为共发射极组态。

改变RB的阻值，通过串联在三个电极中的电流表，可测得相应的基极电流IB、集电极电流IC和发射极电流IE。实验结果见表1-2。

分析比较表1-2中的数据，可得出如下结论：

（1）由每一列的数据可得三极管发射极电流等于基极电流与集电极电流之和，即

IE=IB+IC　　（1-5）

三极管各极电流之间关系满足基尔霍夫电流定律。

（2）基极电流IB比集电极电流IC和发射极电流IE要小得多，故发射极电流与集电极电流近似相等，即IE≈IC≫IB。

（3）当电流达一定值时，IC与IB比值基本趋于一个常数，例如表1-2中第五、六列IC与IB比值分别为

（4）当基极电流产生微小变化ΔIB时，会引起集电极电流产生较大变化ΔIC，而且ΔIC与ΔIB的比值趋于一个常数。例如由表1-2中第四列和第五列的数据，第五列和第六列的数据可得

（5）由表1-2还可知，当IB=0（基极开路）时，集电极电流与发射极电流相等且其值很小，这是三极管的极间反向电流，称为穿透电流ICEO。三极管的极间反向电流还有集电结上的反向饱和电流ICBO。ICEO、ICBO受温度的影响大，对三极管来说，其值越小越好。

三极管外部各极电流的形成是三极管内部载流子运动的反映，图1-32所示为三极管内部载流子的运动过程及电流分配关系。在图中设置电源VCC和VBB是为了保证三极管能建立正常的外部工作条件。由于发射结外加正向偏置电压，发射结变窄，有利于发射区的多数载流子——电子不断注入基区，形成发射极电流IE。电子从发射区注入基区后，少量的电子与基区的空穴复合，形成基极电流IB。由于基区薄且浓度低，所以绝大多数电子继续被送到集电结的边缘，又由于集电结处于反向偏置状态，使到达集电结边缘的电子大部分被集电区收集，形成集电极电流IC。因此，三极管内部载流子的运动，必将在外部引起电流。

2.三极管的电流放大作用

图1-33所示电路为一基本的共发射极放大电路。在基极电路中接入输入信号电压Δui，当Δui有一微小的变化时，引起基极电流有一个变化量ΔIB，从而使集电极电流也发生变化，其变化量为ΔIC，且ΔIC≫ΔIB，即很小的基极电流变化量ΔIB就能引起集电极电流有较大的变化量ΔIC，这就是三极管的电流放大作用。正因如此，三极管被称为电流控制器件。

通常把集电极电流IC与基极电流IB的比值称为三极管共发射极直流电流放大系数，用表示，即

把集电极电流变化量ΔIC与基极电流变化量ΔIB之比称为三极管共发射极交流电流放大系数，用β表示，即

或　　ΔIC=βΔIB

在工程上可认为β与近似相等，即。无特别说明时用β来表示三极管的电流放大能力。PNP型管与NPN型管的工作过程类似，只是所加的工作电压极性、产生的电流方向与NPN型管相反，其原理不再赘述。

【例1-4】　已知工作在放大状态的三极管的两个电极上的电流如图1-34所示。试求：（1）另一个极上的电流，并标出其实际方向；（2）确定各引脚的电极，并判断三极管的管型；（3）估算三极管的β值。

解：（1）因为三极管各极电流应满足基尔霍夫电流定律，即流入和流出三极管的电流大小相等。在图1-34（a）中①引脚和②引脚的电流均为流入三极管，因此③引脚电流必然为流出三极管，大小为（0.1+4）mA=4.1mA。

（2）因③引脚电流最大，①引脚电流最小，故③引脚为发射极，①引脚为基极，最后②引脚为集电极。由于该管发射极电流的实际方向是向外的，因此它是NPN型管。

（3）因为IB=0.1mA，IC=4mA，IE=4.1mA，故

四、三极管的伏安特性

三极管各极电压与电流之间的关系曲线称为三极管的伏安特性曲线。它是三极管内部特性的外部表现，是分析由三极管组成的放大电路和选择三极管参数的重要依据。三极管的伏安特性曲线分为输入特性曲线和输出特性曲线两部分。它们可以通过晶体管特性图示仪测得，也可以用实验的方法测绘。三极管在电路中的连接方式（组态）不同，其特性曲线也不同。用NPN型管组成的共发射极特性曲线测试电路如图1-35所示。

1.输入特性曲线

输入特性曲线是表示集电极和发射极之间的电压uCE为某一常数时，基极电流iB与基极和发射极之间的电压uBE之间的关系曲线，即。输入特性曲线如图1-36所示。其特点如下：

（1）当uCE=0V时，相当于集电极和发射极短路，三极管相当于两个正向并联的二极管，所以三极管的输入特性类似于二极管的正向伏安特性。

（2）当uCE增大后，输入特性曲线向右移动，表示uCE对输入特性有影响。当uCE>1V后，曲线右移不明显，几乎与uCE=1V时的曲线重合。实际使用中uCE总是大于1V，所以用uCE≥1V的曲线代表uCE>1V的所有曲线。

由图1-36可见，三极管的输入特性曲线和二极管的伏安特性曲线基本一样，是非线性的，也存在死区电压，硅管约为0.5V，锗管约为0.1V。三极管正常工作在放大状态时，发射结上的导通压降变化不大，硅管导通压降约为0.7V，锗管约为0.3V。

2.输出特性曲线

输出特性曲线是表示基极电流iB为某一常数时，集电极电流iC与集电极和发射极之间的电压uCE之间的关系，即。对于每个确定的iB，都有一条曲线与之对应，因此输出特性曲线不是一条，而是一簇曲线，如图1-37所示。

每一条曲线（iB保持某一数值不变）起始时都是iC随着uCE的增大而增大，当uCE超过一定数值（约1V）后，uCE再增大，iC也不再有明显增加，表现出恒流性质。当uCE大于1V后保持不变时，iB增大，曲线上移，相应的iC也增大，而且iC比iB增加的多得多，这表示三极管具有电流放大的特性。

通常三极管的输出特性曲线分为三个区：截止区、放大区和饱和区，相对应三极管有三种工作状态：截止状态、放大状态和饱和状态。

（1）截止区。在输出特性曲线上，对应iB=0的曲线以下的区域称为截止区。三极管工作在截止区（截止状态）的条件是：发射结反偏，集电结反偏。截止区的工作特点是：iB=0，iC=ICEO≈0，无电流放大作用。截止时，三极管各极之间相当于开关断开。

（2）放大区。在输出特性曲线上，对应iB=0的曲线以上，曲线呈近似水平部分的区域为放大区。三极管工作在放大区（放大状态）的条件是：发射结正偏，集电结反偏。放大区的工作特点是：iB>0，iC>0，且iC=βiB（或ΔIC=βΔIB），有电流放大作用，当iB等量增加时，iC等比例增加，表现在曲线等间隔平行上移；iC只受iB控制，几乎与uCE的大小无关，三极管呈现恒流特性。三极管在放大状态时，可等效为一个受基极电流控制的电流源。

（3）饱和区。在输出特性曲线上，曲线呈直线上升且靠近纵轴的区域称为饱和区。三极管工作在饱和区（饱和状态）的条件是：发射结正偏，集电结正偏。该区uCE很小（uCE≤uBE），通常把uCE=uBE，即集电结为零偏（uCB=0）时的状态称为临界饱和。饱和区的工作特点是：iB>0，iC>0，但ΔIC≠βΔIB。在输出特性曲线上，当iB一定时，iC随uCE的增加而迅速上升，而当uCE一定时，iC不随iB的变化而变化，即iB失去了对iC的控制，三极管无放大作用。三极管饱和时的uCE值称为饱和管压降UCES，硅管UCES≈0.3V，锗管UCES≈0.1V。临界饱和时iB对iC仍有控制作用，即iC≈βiB。饱和时三极管各极间电压都很小，相当于开关闭合。

在模拟电路中，三极管都处在放大区，称为线性工作区；而把饱和区和截止区称为非线性区，通常把三极管工作在非线性区的特性称为三极管的开关特性。

【例1-5】　用直流电压表测量某放大电路中某个三极管各极对地的电位分别为U1=2V，U2=6V，U3=2.7V。试判断三极管各对应电极与三极管的类型。

解：本题的已知条件是放大状态下三极管三个电极的电位。根据三极管能实现电流放大的条件可得三个电极电位关系是：NPN型管UC>UB>UE，PNP型管UC<UB<UE，且硅管放大时UBE约为0.7V，锗管UBE约为0.3V。可得这类问题的分析步骤如下：

①首先确定基极：电位居中的电极为基极。

②再确定发射极：与基极电位相差0.7V或0.3V左右的电极为发射极。同时，可确定出管材：若电位差为0.7V左右，则是硅管；若电位差为0.3V左右，则是锗管。所剩电位对应电极为集电极。

③最后确定管型：若是UC>UB>UE，则为NPN型管；若是UC<UB<UE，则为PNP型管。

例题中，U3=2.7V电位居中，故其所在电极为基极；U1=2V与基极电位相差0.7V，故其所在电极为发射极，同时UBE=0.7V，故该管为硅材料管；所剩U2=6V所在电极为集电极，因有UC>UB>UE，故可知该管为NPN型管。

【例1-6】　电路如图1-38所示，已知UBE=0.7V，UCES=0.3V，试确定当开关S分别位于a、b、c三个位置时，三极管的工作状态，并计算相应IB、IC和UCE的值。

解：（1）当S置于a点时，发射结无外加电压，处于零偏，集电结反偏，因此三极管处于截止状态。

故IB=0，IC≈0，UCE=（12-1×0）V=12V。

（2）当S置于b点时，发射结正偏，但集电结的偏置状态不能确定，因而不能用结电压的方法确定三极管的工作状态，需用电流来判断，方法是：先求出三极管临界饱和时所需的基极电流IBS值，因临界饱和时有ICS≈βIBS，又因为饱和时UCE=UCES=0.3V，所以

再求出外电路实际给三极管提供的基极电流IB的值。若IB>IBS，则三极管工作在饱和状态；若IB<IBS，则三极管工作在放大状态。

IB>IBS，故三极管工作在饱和状态，因此有UCE=UCES=0.3V。

（3）当S置于c点时，发射结正偏，有

所以，三极管工作在放大状态，有

IC=βIB=100×0.0767mA=7.67mA

UCE=VCC-ICRC=（12-7.67×1）V=4.33V

五、三极管的主要参数

伏安特性曲线完整地表示了三极管的特性。实践中，人们还常常用一组数据来描述三极管的性能，这些数据就是三极管的参数，这些参数可以通过查半导体手册得到。参数的性能指标是人们合理地选择和正确使用三极管的依据，其主要的参数有以下几个。

1.放大参数

放大参数主要是共射极电流放大系数，是反映三极管电流放大能力的参数，有共射极直流电流放大系数和交流电流放大系数β。

共射极直流电流放大系数：指集电极直流电流与基极直流电流之比，即。

共射极交流电流放大系数β：指集电极交流电流与基极交流电流之比，或是它们的变化量之比，即。

在工程计算上，一般可认为。

由于制造工艺的分散性，即使同一型号的三极管，β值也有很大差别，常用的β值为20～100。选择三极管时，如果β值太小，则电流放大能力差；如果β值太大，则会使工作稳定性变差。

2.开关参数

当三极管应用在开关电路时，三极管的工作状态处在截止与饱和的转换之中，由于状态的转换需要一定的时间，通常用开关时间来衡量其开关特性。当开关三极管的基极加入矩形波电压，集电极电流不再是矩形波，其上升沿和下降沿都延迟一段时间，如图1-39所示。

（1）开通时间ton：指输入矩形波的上升沿到输出电流iC上升到最大值的90％所需的时间。

（2）关闭时间toff：指输入矩形波的下降沿到输出电流iC下降到最大值的10％所需的时间。

3.极间饱和参数

（1）反向饱和电流ICBO：指发射极开路，集电结外加反向偏置电压时，流过集电结的反向饱和电流。因为该电流是由少子定向运动形成的，所以它受温度变化的影响很大。常温下，小功率硅管的ICBO<1μA，锗管的ICBO在10μA左右。ICBO的大小反映了三极管的热稳定性，ICBO越小，说明其热稳定性越好。因此，在温度变化范围大的工作环境中，应尽可能地选择硅管。

（2）穿透电流ICEO：指基极开路，集电极与发射极之间加上一定数值的反偏电压时，由集电区穿过基区流入发射区的电流。它也反映了三极管的温度稳定性，其值越小越好。它与ICBO的关系为ICEO=（1+β）ICBO。硅管的ICEO比锗管要小得多，一般应优先选用硅管。另外，不能盲目追求过大的β值。

当ICEO不能忽略时，三极管工作在放大区的集电极电流应为iC=βiB+（1+β）ICBO=βiB+ICEO。

4.极限参数

（1）集电极最大允许电流ICM：当集电极电流太大时，三极管的电流放大系数β值会下降。把集电极电流增大到使β值下降到正常值的2/3时所对应的集电极电流，称为集电极最大允许电流ICM。为了保证三极管的正常工作，在实际使用中，流过的集电极电流iC必须满足iC<ICM。

（2）反向击穿电压U（BR）CBO、U（BR）CEO、U（BR）EBO：

U（BR）CBO是发射极开路时，集电极与基极之间的反向击穿电压，是集电结所允许加的最高反向电压。

U（BR）CEO是基极开路时，集电极与发射极之间的反向击穿电压。实际使用中，必须满足uCE<U（BR）CEO，否则三极管会击穿损坏。

U（BR）EBO是集电极开路时，发射极与基极之间的反向击穿电压，是发射结所允许加的最高反向电压。

一般情况下，U（BR）EBO<U（BR）CEO<U（BR）CBO。在放大电路中，由于发射结通常处于正向偏置状态，极少发生发射结击穿现象，所以在选择极间最高反向击穿电压时，主要考虑集电极与发射极之间的击穿电压U（BR）CEO，使集电极与发射极之间的工作电压远低于U（BR）CEO，保证三极管安全工作。

（3）集电极最大允许耗散功率PCM：指三极管正常工作时最大允许的消耗功率。三极管工作时消耗的功率PC=iCuCE转化为热能损耗于管内，并表现为温度升高。所以，当三极管消耗的功率超过PCM时，其发热量将使三极管性能变差，甚至烧坏三极管。PCM就是由允许的最高结温决定的最大集电极耗散功率，因此，在使用三极管时，PC必须小于PCM才能保证三极管正常工作。为了提高PCM的值，常采用散热装置。

根据三个极限参数可以确定三极管的安全工作区，如图1-40所示。为确保三极管正常而安全地工作，使用时不应超过这个区域。

5.温度对三极管参数的影响

由于半导体的热敏性，温度对三极管各参数几乎都有影响，它对电子电路的稳定性产生较大影响，所以了解温度对三极管参数的影响是有必要的。

（1）对ICBO的影响。在室温下，三极管的集电结反向饱和电流ICBO很小。温度每升高10℃，ICBO增大约一倍。显然ICEO受温度影响更大。另外，温度升高时，使输出特性曲线向上移。

（2）对β的影响。三极管的电流放大系数β值随温度升高而变大，温度每升高1℃，β增加0.5％～1％，导致输出特性曲线的间距变大。

（3）对发射结压降UBE的影响。温度升高时，UBE值减小，温度每升高1℃，UBE减小2～2.5mV，使输入特性曲线向左移。